La fabricación aditiva puede ser clave en la comercialización del 'ram de metal líquido'

Un nuevo enfoque de los sistemas de almacenamiento, logrado por investigadores de la Universidad de Tsinghua en China, permite una memoria flexible sin comprometer el rendimiento de los dispositivos electrónicos. Financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China y el Programa de Becas Shuimu Tsinghua, esta investigación presenta la "Memoria de metal líquido" en una publicación reciente en "Advanced Materials".

Los sistemas de almacenamiento, componentes vitales de los dispositivos electrónicos, deben ser mucho más flexibles a medida que el mundo experimenta el desarrollo de dispositivos electrónicos portátiles, biomédicos y robótica blanda más avanzados. Estos sistemas de almacenamiento de datos deben estirarse, doblarse y torcerse al máximo sin afectar el rendimiento de los dispositivos emergentes.

Lograr una memoria flexible ha sido un desafío debido a las limitaciones de las metodologías de almacenamiento convencionales. El último estudio propone una nueva clase de principios de almacenamiento inspirados en los mecanismos de polarización y despolarización del cerebro humano.

Introduciendo comportamientos de oxidación y desoxidación de metales líquidosEl equipo logró una memoria totalmente flexible. Los investigadores utilizaron oxidación electroquímica reversible para modular la conductividad general de los metales líquidos objetivo, creando una diferencia de resistencia significativa de 11 órdenes para el almacenamiento de datos binarios, como se indicó.

Para obtener el mejor rendimiento del almacenamiento, se realizaron optimizaciones sistemáticas de múltiples parámetros. Los experimentos conceptuales mostraron estabilidad de la memoria en escenarios de deformación extrema, incluida una torsión de 360°, una flexión de 180° y un estiramiento del 100%. Otras pruebas demostraron un mejor rendimiento con unidades de memoria más pequeñas.

El equipo concluyó que su sistema de almacenamiento logra una velocidad de almacenamiento rápida de más de 33 Hz y una capacidad de retención de datos prolongada de más de 43200 s, con un funcionamiento estable y repetible de hasta 3500 ciclos. Estas notables métricas de rendimiento indican que el "método innovador" puede superar las limitaciones de rigidez innatas de las unidades de almacenamiento electrónico existentes y al mismo tiempo allanar el camino para dispositivos neuromórficos innovadores.

Por lo tanto, la memoria de metal líquido altera fundamentalmente los conceptos tradicionales de memoria flexible, ofreciendo vías prácticas para aplicaciones futuras en sistemas de inteligencia artificial bioinspirados, robótica blanda y electrónica portátil.

Un enfoque poco convencional: utilizar un metal líquido

El creciente uso de dispositivos flexibles significa que la demanda de las características deformables de la memoria crecerá, afirmó en una entrevista Jing Liu, profesor del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Tsinghua de Beijing.

El dispositivo RAM resistivo flexible se denomina FlexRAM y se desarrolló con un enfoque poco convencional: líquido. Esta RAM de metal líquido almacena información en un entorno de solución, muy parecido a lo que hace nuestro cerebro, que está compuesto en un 70% por agua. 

Al adoptar este enfoque biomimético, FlexRAM se diferencia de los sistemas de memoria actuales, que son sólidos. El enfoque biomimético, según Liu, es similar a "los entornos de trabajo acuosos que se encuentran dentro de los organismos vivos". 

Hasta ahora, la flexibilidad de los dispositivos de memoria existentes ha sido limitada porque normalmente se crean colocando los componentes de memoria inflexibles sobre materiales blandos. Esto hace que los dispositivos sean sólo parcialmente flexibles y provoca que se despeguen y se agrieten cuando el dispositivo se deforma. 

FlexRAM pretende cambiar esto mediante el uso de una aleación compuesta de galio e indio como componente de memoria para fabricar su dispositivo de almacenamiento. Los metales líquidos a base de galio son un material atractivo debido a sus excelentes características, como alta conductividad eléctrica y térmica, baja toxicidad y baja viscosidad con naturaleza fluídica a temperatura ambiente.

Inspirado en el cerebro, el material se oxida y reduce en un entorno de solución, de forma similar a nuestras neuronas cerebrales. La neurona se polariza cuando la membrana plasmática interna tiene una carga negativa en comparación con la externa, y cuando cualquier cambio la hace menos negativa, se denomina despolarización.

Además, el material mantiene su estado líquido a temperatura ambiente. Esto facilita su oxidación para formar una densa capa de óxido de galio en la superficie del líquido. Esta capa de óxido de galio corresponde a un estado de alta resistencia eléctrica del sistema de almacenamiento y a un estado de baja resistencia del galio elemental, la forma reducida del líquido. 

Una relación de resistencia alta, la diferencia entre la resistencia de estos dos estados, es esencial para el rendimiento del almacenamiento de memoria.

Lograr una alta integración y escalabilidad

Cuando se trata de rendimiento, los dispositivos de almacenamiento de memoria deben tener muchas características, incluida la eficiencia energética, velocidades rápidas de lectura y escritura, alta densidad de almacenamiento, retención de datos, durabilidad y confiabilidad. El problema radica en lograr un equilibrio entre estos aspectos y al mismo tiempo maximizar la flexibilidad del dispositivo.

Entonces, para desarrollar un dispositivo que pueda soportar altos niveles de deformación, el equipo de investigadores utilizó un polímero estirable llamado Ecoflex como material de encapsulación.

Luego, el equipo utilizó una impresora 3D para imprimir moldes Ecoflex. Impresión 3D o fabricación aditiva Permite la producción de objetos complejos. Permite la producción de artículos que no eran posibles económicamente con la fabricación tradicional. Básicamente, AM significa crear objetos tridimensionales colocando capas de material en un diseño creado por computadora.

Debido a su rentabilidad, impresión 3D ha hecho que la fabricación sea accesible a las masas por primera vez. Mientras tanto, su capacidad para ofrecer flexibilidad de diseño y creación rápida de prototipos hace que esta técnica sea popular entre científicos e investigadores.

Entonces, una vez creado el dispositivo, se colocaron gotas de metal líquido a base de galio en las cavidades del molde. Para evitar la fuga de la solución, los investigadores también utilizaron gotas de la solución de hidrogel de acetato de polivinilo, que se inyectaron por separado debido a su capacidad para aumentar la relación de resistencia del dispositivo y mejorar sus propiedades mecánicas.

El tamaño de la gota de metal líquido fue importante en este caso, ya que influye considerablemente en la relación entre el estado de alta resistencia y el estado de baja resistencia en el dispositivo. Un tamaño de gota más pequeño conduce a una proporción mayor debido al impacto amplificado de la película de óxido superficial. Entonces, cuanto más pequeño sea el tamaño de la gota, “más sensible será la respuesta de la memoria”.

Liu dijo:

"La reducción del tamaño de las gotas beneficia la integración y escalabilidad de FlexRAM, lo que hace que la memoria de alta densidad y totalmente flexible sea una opción prometedora para diversos desarrollos de ingeniería". 

Lectura, escritura y almacenamiento de datos

Ahora bien, a la hora de codificar datos, FlexRAM lo hace mediante los procesos de oxidación y reducción del metal líquido. 

Entonces, la forma en que funciona es que el metal líquido a base de galio se oxida cuando se aplica un voltaje bajo. Esto le da un estado de alta resistencia de “1”. Al invertir la polaridad del voltaje, el metal líquido vuelve a su estado inicial de baja resistencia "0". Este proceso de conmutación reversible permite almacenar y borrar la memoria en el dispositivo.

Para demostrar la capacidad de lectura y escritura de FlexRAM, los investigadores integraron el dispositivo en una configuración de software y hardware. Mediante comandos informáticos, el equipo escribió una cadena de números y letras en una matriz de ocho unidades de almacenamiento FlexRAM.

Estas letras y números estaban codificados en forma de 0 y 1 y correspondían a 1 byte de información de datos, lo que está lejos de la capacidad de memoria de consumo.

En el siguiente paso, el equipo utilizó una técnica llamada modulación de ancho de pulso, que convertía la señal digital de la computadora en analógica. La técnica les permitió controlar cuidadosamente la oxidación y reducción del metal líquido.

Luego, el equipo aplicó un voltaje de prueba corto de 1 voltio durante la lectura de información para medir el estado de resistencia del sistema sin realizar cambios en el estado redox del metal. Luego, la corriente se transmite a la computadora, que convierte la señal en 0 o 1 mediante un algoritmo. Finalmente, el mensaje codificado se muestra en una pantalla LED.

Si bien el prototipo es una memoria volátil, el principio permite desarrollar el dispositivo en diferentes formas de memoria.

Esto se puede ver en la observación de que los datos almacenados en el dispositivo persisten incluso cuando se apaga. Esto podría significar que el dispositivo promete como forma de almacenamiento flexible y tal vez más allá de la RAM. Liu señaló:

"FlexRAM podría incorporarse a sistemas informáticos completos basados ​​en líquidos, funcionando como un dispositivo lógico". 

FlexRAM puede retener aún más sus datos durante hasta 43,200 segundos o 12 horas en un entorno con poco o nada de oxígeno. Además, el dispositivo se puede utilizar una y otra vez manteniendo un rendimiento estable durante más de 3500 ciclos. Si bien es un buen comienzo, no se acerca en absoluto a lo que es capaz de hacer la memoria tradicional pero no flexible, que es de millones.

Amplio potencial de aplicación

Si bien el dispositivo ha demostrado un rendimiento prometedor, su tiempo de respuesta y su nivel de integración no alcanzan los estándares comerciales. Esto significa que aún se requieren mejoras en varios aspectos, incluido el proceso de fabricación, que actualmente implica el llenado secuencial de los materiales.

El equipo tiene como objetivo utilizar procesos de fabricación inteligentes y automatizados junto con tecnología de embalaje e impresión aérea 3D. 

Aún así, la tecnología es muy joven y tardará años en realizarse por completo. Dicho esto, la prueba de concepto es alentadora y este nuevo enfoque ha atraído el interés de la industria y se están explorando varios conceptos basados ​​en líquidos.

Una de esas investigaciones fue demostrado hace un par de años, cuando se propusieron dos nuevos conceptos de almacenamiento basados ​​en líquidos: la memoria coloidal y la electrolítica, que tienen potencial para aplicaciones de almacenamiento nearline de densidad extremadamente alta.

Una vez más, inspirándose en los avances de las ciencias biológicas, se propuso que el medio de almacenamiento para fabricar una densa variedad de dispositivos de acceso fuera un líquido que contuviera iones, moléculas o (nano)partículas, que pudieran manipularse en volúmenes mayores para obtener un acceso. dispositivo que forma parte de una matriz densa.

IMEC, un centro de I+D e innovación en nanoelectrónica y tecnologías digitales, prevé la introducción de la memoria líquida a partir de 2030. Anticipa que con estos enfoques, la densidad de almacenamiento de bits se puede impulsar hacia el rango de 1 Tbit/mm2 con un menor costo de proceso por mm2. También señaló que para que estas soluciones de almacenamiento sean viables para aplicaciones nearline, la tecnología debe tener un tiempo de respuesta adecuado, consumo de energía, ancho de banda (por ejemplo, 20 Gb/s), resistencia al ciclo (103 ciclos de lectura/escritura) y la capacidad de retener datos a lo largo de una década.

En otro ejemploEn 2020, los investigadores obtuvieron una carga de baterías de metal líquido. Aquí, el electrolito de sal, el ánodo metálico y el cátodo estaban todos en forma líquida. En comparación con las baterías de estado sólido, las baterías de metal líquido se benefician de la rápida difusión de iones entre los electrodos, lo que significa ciclos rápidos de carga y descarga. 

Además, las tensiones mecánicas son mucho menores y elimina la necesidad de membranas y separadores, al tiempo que mejora la estabilidad y la utilidad a largo plazo. La investigación afirmó que las baterías de metal líquido, aunque pesadas, no son inflamables y podrían ser más adecuadas para el almacenamiento de electricidad a gran escala.

Más recientemente, los científicos descubierto CRISPR un compuesto a base de metal líquido que permite conexiones eléctricas y mecánicas robustas entre circuitos blandos y componentes eléctricos rígidos. Los investigadores esperan que este material, llamado E-CASE, que es un adhesivo conductor de electricidad con plata y galio-indio eutéctico (EGaIn), desempeñe un papel en la electrónica, la robótica y los sensores.

Entonces, a medida que los investigadores abordan los desafíos y perfeccionan la tecnología, FlexRAM también puede encontrar su uso en electrónica implantable, robótica blanda y sistemas de interfaz cerebro-máquina en el futuro.

Empresas de fabricación aditiva 

#1. Materialise

El proveedor de servicios de impresión 3D con sede en Bélgica presta servicios a una variedad de industrias, incluidas la automotriz, aeroespacial y de atención médica. En los últimos meses, Materialize celebró varias asociaciones, incluida Ricoh USA para promover el uso de modelos anatómicos impresos en 3D, con Proponent para soluciones de cabina de impresión 3D para aviones, Nikon SLM Solutions para desarrollar procesadores de construcción avanzados y con Ansys. para simplificar la simulación para la impresión 3D.

Con una capitalización de mercado de 329 millones de dólares, la acción de Materialise (MTLS:NASDAQ) se ha cotizado a 5.57 dólares, un 15.16% menos hasta la fecha. La compañía registró unos ingresos (TTM) de 272 millones de dólares y tiene un EPS (TTM) de 0.05 y un P/E (TTM) de 116.53. La compañía informó un aumento del 3.2 % en sus ingresos totales a 63.6 millones de dólares con respecto al año anterior durante su informe de ganancias del 3T23, mientras que su EBITDA experimentó un aumento del 55 % y el beneficio neto aumentó un 184 % a 4.2 millones de dólares.

#2. EOS GmbH

EOS GmbH, con sede en Alemania, es un fabricante líder de impresión 3D industrial que ha lanzado una tecnología FDR que permite la producción de detalles finos sin sacrificar la calidad. Por otro lado, su Smart Fusion elimina las estructuras de soporte, reduce los costes, minimiza el uso de material y reduce los requisitos de posprocesamiento. Sus nuevos sistemas permiten además una solución totalmente automatizada que se adapta a las necesidades de producción. 

Además de EOS GmbH y Materialise, empresas de impresión 3D como Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs y Renishaw pueden ayudar en la comercialización de Liquid Metal Ram. Mientras tanto, empresas como Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple y Samsung pueden beneficiarse de este nuevo enfoque de los sistemas de almacenamiento.

Última Palabra

La capacidad de la RAM de Metal Líquido para resistir prácticamente cualquier deformación promete un gran futuro para los dispositivos electrónicos, enriqueciendo aún más nuestras vidas. Sin embargo, aún se encuentran en una etapa temprana, y se requiere más investigación y trabajo antes de que puedan comercializarse. 

Aquí, la fabricación aditiva puede desempeñar un papel clave al permitir diseños personalizados y una mejor integración de diferentes componentes para mejorar el rendimiento y la confiabilidad. Además, permite la creación rápida de prototipos, lo que permite a los investigadores y a las empresas realizar mejoras rápidas y al mismo tiempo reducir el desperdicio, ofreciendo escalabilidad y producción bajo demanda.

Haga clic aquí para aprender todo sobre la inversión en acciones de impresión 3D (fabricación aditiva).